聚4－氨基丁酸修饰碳纳米管掺杂碳糊电极的制备及其对多巴胺的测定*

郑新宇，周学酬，郑舒燕，苏 妍，郑丽辉，林瑞余*

(1.福建农林大学生命科学学院，福州350002;2.福建农林大学植物保护学院，福州350002;3.福建省职业病与化学中毒预防控制中心，福州350002)

多巴胺(Dopamine，DA)是哺乳动物中枢神经系统中的一种非常重要的信息传递物质[1]。脑组织内多巴胺神经能与多种病症，如帕金森病、亨丁顿舞蹈症和多动症等息息相关[2－4]。目前，测量DA浓度的方法有滴定法[5]、分光光度法[6]、液相色谱法[7]等。与这些检测方法相比，电化学方法具有简便、快捷、灵敏度高、成本低廉等优点，目前已成为一种重要的分析手段。但由于DA在固体电极上的过电位较大，因此用未修饰的固体电极对DA进行直接测定，灵敏度一般较低。经过化学修饰的电极，能降低过电位并增加DA的传质速率，可提高测定DA的灵敏度，因此在DA的测定中越来越受到重视[8－9]。目前常见的电极修饰有聚合膜、Nafion膜和碳纳米管等[10－13]。其中氨基酸聚合膜广泛用于制备化学修饰电极，如半胱氨酸、赖氨酸、甘氨酸、组氨酸、谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、丝氨酸、色氨酸、异白氨酸、天冬氨酸等[14]。氨基酸聚合膜修饰电极具有稳定性好、使用寿命长等特点，被大量应用于实际样品中多巴胺的分析测定[8－9，15－16]，提高了检测的灵敏度。目前未见4－氨基丁酸(4－ABA)聚合膜修饰电极用于多巴胺测定的相关报道。本文采用在碳糊中掺入碳纳米管制备碳纳米管掺杂碳糊电极(CNTPE)，并在电极表面修饰 4－ABA，制成 P－4－ABA/CNTPE，并对DA进行测定，结果显示DA峰电流大大增加，电位差减小。制备的电极具有简单，不易脱落，稳定性好及抗干扰能力强等特点。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器公司)。

采用三电极系统:自制的P－4－ABA/CNTPE为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为辅助电极。PHS－3C型精密酸度计(上海大普仪器厂)用于测量溶液的pH值。

光谱纯石墨粉、碳纳米管、液体石蜡、4－ABA购自上海国药，盐酸多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)购自中国生物药品制品检验所，盐酸多巴胺注射液购于广州白云山明兴制药有限公司。其余常用试剂均为分析纯以上试剂，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 修饰电极的制备

称取适量的石墨粉，然后加入适量的液体石蜡与适量的碳纳米管混合，研磨均匀(时间5 min)，将此碳糊压入电极管的顶端凹槽(直径3 mm，深2 mm)，填充紧密，压实，然后在称量纸上打磨光滑。用二次蒸馏水冲洗电极头，常温下晾干备用。得到CNTPE。将制备好的 CNTPE置于含有0.02 mol/L 4－ABA 的0.02 mol/L 磷酸缓冲液(pH 5.0)中，在－0.5～2.0 V电位范围内循环扫描6圈(扫描速度200 mV/s)，取出用水冲洗干净，即得 P－4－ABA/CNTPE。上述所有实验均在室温下进行。

1.3 多巴胺测定方法

取含一定量DA标准液的BR缓冲液(pH 2.0)5 mL于电解池内，采用三电极体系在0.2 V～1.2 V电位范围内进行 CV扫描。DA在 P－4－ABA/CNTPE上于0.710 V处出现了明显的氧化峰，在0.604 V处出现还原峰，基于氧化峰峰型好，峰电流大于还原峰，本实验则采用记录氧化峰峰电流与DA浓度的关系进行检测。

2 结果与讨论

2.1 碳糊电极制备

2.1.1 碳纳米管的影响

试验中固定石墨粉与液体石蜡的质量分别为0.2 g 和 0.1 g，然后分别掺入 0、0.01 g、0.02 g、0.03 g、0.04 g、0.05 g、0.06 g 的碳纳米管，研究碳纳米管加入量变化时DA响应电流的变化情况，结果表明，随着碳纳米管加入量的增加，P－4－ABA/CNTPE对DA的响应电流出现先增加后减少的趋势。由于碳纳米管具有很大的表面积，掺入碳糊电极可增大电极的电化学反应面积，使多巴胺在电极上的反应电流增大。但碳纳米管用量过大，会吸附更多的液体石蜡，反而不利于增大电极的电化学反应面积，而导致DA的响应电流减小。当碳纳米管量为0.04 g(质量分数为16.67%)时，P－4－ABA/CNTPE 对 DA 的响应电流最大(如图1)。因此本试验选择碳纳米管的量占石墨粉与碳纳米管总量16.67%。

图1 碳纳米管比例对DA氧化峰电流的影响

2.1.2 粘合剂的影响

液体石蜡作为CNTPE的粘合剂，为了考察粘合剂的影响。固定碳纳米管的量占石墨粉与碳纳米管总量16.67%的前提下，逐步改变液体石蜡与石墨粉和碳纳米管总量的比例。试验表明，随着液体石蜡含量的提高，峰电流逐渐减小(如图2)，但石蜡比例偏小会导致电极强度变差，碳糊容易脱落。当液体石蜡与石墨粉和碳纳米管总量的比例为1∶3时，峰电流较大，机械强度也较好。所以本试验选择粘合剂与固体粉末的比例为1∶3。

图2 粘合剂比例对DA氧化峰电流的影响

2.2 电聚合条件的影响

2.2.1 聚合底液pH的影响

试验选定磷酸盐缓冲溶液(PP)作聚合底液，分别试验了pH值为5.0～8.0的磷酸盐缓冲溶液进行电聚合，并将聚合后的P－4－ABA/CNTPE对2.0×10－5mol/L DA进行CV扫描。试验结果得出:不同酸度底液聚合得到的电极对DA峰电流和峰电位均有影响:随着底液pH值的不断增大，响应电流不断减小，氧化峰电位不断负移，还原峰电位不断正移。故实验选定pH为5.0的PP缓冲溶液作聚合底液。

2.2.2 聚合底液4－ABA浓度的影响

在选定的pH为5.0的磷酸盐缓冲溶液中进行电聚合，逐步提高底液 4－ABA的浓度，分别为:0.005 mol/L、0.01 mol/L、0.02 mol/L、0.04 mol/L和0.06 mol/L。然后将聚合后的 P－4－ABA/CNTPE电极对2.0×10－5mol/L DA进行CV扫描。结果发现4－ABA的浓度对聚合后电极的性能有较大的影响，结果如图3所示。当4－ABA的浓度过大时，所得P－4－ABA/CNTPE电极对DA的响应峰电流较小，测量重现性较差，这可能是高浓度聚合得到的膜比较致密，表面积下降造成的。但若其浓度过低，修饰电极对DA的响应电流也很小，这可能是电极表面的聚合物膜覆盖程度低所致[17]。故实验选定浓度为0.02 mol/L的4－ABA磷酸缓冲溶液为聚合底液。

图3 修饰剂浓度对DA氧化峰电流的影响

2.3 4－ABA在碳纳米管掺杂碳糊电极上的电聚合

图4所示为4－ABA在碳糊电极上的电聚合曲线。在扫描第一圈时，氧化峰电流较小，峰形不明显，这可能是因为开始时碳纳米管碳糊电极导电性较差引起的。到了第二圈后，峰电流变大，峰形也变好了，这说明聚合一圈后，4－ABA在电极表面再聚合变得更容易。因为聚4－ABA是导电聚合物，第一圈扫描后碳纳米管碳糊电极表面修饰了部分聚4－ABA，使电极导电性增强，有利于后续4－ABA的电聚合。

图4 4－ABA在修饰电极上的电聚合循环伏安图扫速:200 mV/s;圈数:6;电位范围:－0.5 V ～2.0 V。

2.4 DA在不同电极上的循环伏安曲线

分别以 CPE(1)、P－4－ABA－CPE(2)、CNTPE(3)、P－4－ABA/CNTPE(4)为工作电极，在 DA 浓度为4.0×10－5mol/L 的 B－R 缓冲液(pH 2.0)中于 0.2 V～1.2 V进行循环伏安扫描(扫速为200 mV/s)。结果如图5所示。在CPE(1)电极上，DA出现了一对极其微弱的氧化还原峰，峰电流很低;峰型较差，ΔE1=445 mV。对于掺入碳纳米管的CNTPE(3)而言，其氧化峰电流是CPE(1)的1.5倍，还原峰则是CPE(1)的1.8倍，且氧化峰和还原峰均正移，峰电位差减为376 mV，说明碳纳米管的掺入，增大了电极表面积。P－4－ABA－CPE(2)电极是 CPE(1)电极经4－ABA修饰处理得到的，其氧化峰和还原峰电流较CPE(1)电极而言均增大，与此同时ΔE2也减少为131 mV。把 CNTPE(3)修饰 4－ABA得到的电极P－4－ABA/CNTPE(4)对DA进行测定，电极响应电流为变为原来的2.4倍，电位差变为106 mV。比较上述四种电极对DA的循环伏安曲线，可以发现P－4－ABA/CNTPE(4)电极对DA的响应电流最大，峰形最佳，峰电位差最小。本实验采用该电极作为工作电极，建立检测DA的方法。

图5 DA在各种电极上的循环伏安图扫速:200 mV/s。

2.5 扫描速率的影响

在扫速 10 mV/s～600 mV/s下对含 1.0×10－4mol/L的DA在0.02 mol/L、pH 2.0的 BR 缓冲溶液中进行线性伏安扫描(如图6)，随着扫速v的增加，DA的氧化峰峰电位逐渐正移，还原峰峰电位逐渐负移。其氧化峰电流和还原峰电流与扫速的平方根呈线性关系，线性方程分别为 ip=2.515 8 V1/2－1.057 6，R2=0.994 8，ip=2.502 5 V1/2－2.548 6，R2=0.992 7。由此可见，DA在P－4－ABA/CNTPE上的电化学反应是受扩散控制的[18]。

图6 DA在修饰电极上的线性扫描伏安图

2.6 富集时间的选择

浓度为4.0×10－5mol/L 的 DA，在 pH 2.0 的 BR缓冲介质中，以修饰电极为工作电极，分别静置富集2 s、5 s、10 s、20 s、30 s，结果表明，静置时间为 10 s时，峰电流即达最大。因此试验选择静置10 s后，再进行CV扫描。

2.7 修饰电极的重现性

对4.0×10－5mol/L的DA进行10次重复测定，峰电流的相对标准偏差RSD为4.13%。这表明该P－4－ABA/CNTPE对DA的测定具有良好的重现性。同样研究了该修饰电极的稳定性，将该修饰电极放置10 d后，再对相同浓度的DA进行测量，峰电流值仅下降5.23%，表明该P－4－ABA/CNTPE具有较好的稳定性。

2.8 DA在修饰电极上的线性范围和检测限

在最优实验条件下，利用循环伏安法(CV)对DA进行测定。发现DA氧化峰电流与其浓度在8.0×10－5～5.3×10－7mol/L 内呈线性关系，回归方程为 ip=0.087 3C+0.451 6(ip为峰电流/μA，C 为浓度/μmol/L，R2=0.9941)，检测限为2.0×10－7mol/L。

2.9 干扰实验

按试验方法对4.0×10－5mol/L的DA溶液进行测定，当相对误差＜5%时，100倍的柠檬酸，10倍的酒石酸，50倍的葡萄糖，400倍的氯化钠、氯化钾和200倍的氯化钙不干扰测定。

对2.0×10－5mol/L 的 DA 和 2.0×10－3mol/L 的AA、2.0×10－5mol/L的UA存在的混合液中进行CV 扫描。试验结果如图7所示，AA、DA和UA的电位分别为0.405、0.710、0.835V，100 倍的 AA 以及同等浓度的UA的存在并不干扰DA的测定。三者可以明显分离开，说明P－4－ABA/GCE电极对DA具良好的选择性，可在AA和UA存在的溶液中对DA进行测定。

图7 AA，DA和UA在修饰电极上的循环伏安图

2.10 样品的测定及加标回收率实验

量取1 mL盐酸多巴胺注射液(标示浓度为10 g/L，2 mL/支)先用蒸馏水稀释100倍，后量取1 mL该稀释液于100 mL棕色容量瓶中，用pH 2.0的BR缓冲溶液定容，采用标准加入法进行定量测定。结果见表1。将一男性志愿者的尿样，用pH 2.0的BR缓冲溶液稀释200倍后，采用P－4－ABA/CNTPE进行测定，结果见表2。从表1、表2可以看出，两种实际样品的回收率分别在87.50% ～104.26%和92.30% ～97.04%之间，说明该方法可用于实际样品的测定。

表1 盐酸多巴胺注射液测定结果(n=5)

表2 实际尿样测定结果(n=5)

3 结论

本文制备的P－4－ABA/CNTPE修饰电极，对DA具有良好的电催化作用，可较大程度提高DA检测的灵敏度。P－4－ABA/CNTPE制作简单、成本低廉、稳定性好，在用于盐酸多巴胺注射液和人体实际尿样的测定时，结果令人满意。

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